中科院侯劍輝Adv. Mater.:自組織法制備的倒置型有機太陽能電池的能量轉換效率創新高！

【研究亮點】

1.首次在自組織法（self-organization method）制備的倒置型有機太陽能電池（OSC）中采用廉價的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為陰極界面層，表現出超強的穩定性。

2.自組織法制備的倒置型OSC的能量轉換效率首次達到14.0%。

【成果簡介】

中科院侯劍輝（通訊作者）課題組在自組織法制備的倒置型OSC中采用PVP作為陰極界面層和PBDB-TF:IT-4F作為活性層，能量轉換效率達到13.3%，和逐步法（step-by-step method）制備的倒置型OSC相當，在光照下工作600小時后仍超過原來的30%，穩定性優異。他們還將自組織法應用在其他材料為活性層的倒置型OSC中，得到了目前為止最高的能量轉換效率。這些成果表明了PVP作為陰極界面層在自組織法制備的倒置型OSC中具有巨大的潛力。這些成果已于近日發表在材料領域著名期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1.（a）純ITO和涂覆了PVP的ITO的光透過率譜圖。PVP層的厚度不超過5nm。兩條曲線完全重合，表明PVP層的透明性很好。內圖是它們的原子力顯微鏡高度圖，證明了PVP層太薄而不能使ITO表面平滑。

? ? ? ?（b）它們的紫外光電子能譜譜圖。如圖所示，后者的逸出功是3.5eV，比前者低了大約0.7eV，有助于提高ITO的電子提取能力。

? ? ? ?（c）水滴在純ITO、PVP層、PBDB-TF層、IT-4F層表面上的照片。作者測量了水滴在PVP層、PBDB-TF層、IT-4F層上的接觸角，來比較PVP和PBDB-TF、IT-4F的表面能。水滴在PVP層上的接觸角較小，因此PVP具有較高的表面能。

? ? ? ?（d）純ITO、涂覆了PVP的ITO和用氯苯洗去PVP的ITO的高能量分辨率的X射線光電子能譜譜圖。ITO表面涂覆了PVP后，在大約400eV處出現強峰，表明ITO表面有PVP。用氯苯洗去PVP后，這個峰雖然強度降低，但依然存在，證實有PVP殘留，進一步表明PVP和ITO之間存在強烈的分子相互作用。

圖2.（a）PVP、PBDB-TF、IT-4F的化學結構。

? ? ? ?（b）PVP、PBDB-TF、IT-4F、ITO的能級。

? ? ? ?（c）自組織法和逐步法制備OSC的過程。自組織法是先將PVP加入PBDB-TF、IT-4F的氯苯溶液中，然后將混合溶液涂覆在ITO表面，讓PVP和PBDB-TF、IT-4F在ITO表面自組裝，而逐步法是先制備PVP層，然后制備PBDB-TF：IT-4F層。

? ? ? ?（d）無陰極界面層（ w/o CIL）的OSC、自組織法和逐步法制備的OSC的電流密度與電壓 (J-V)曲線。表1是相關數據。這三種OSC的數據的對比表明PVP作為陰極界面層具有出色的性能以及兩種制備方法制備的OSC的光伏性能相當。

? ? ? ?（e）三種OSC的外量子效率（EQE）曲線。

表1.三種OSC的開路電壓(V_oc)、短路電流密度(J_sc)、填充因子(FF)、能量轉換效率和串聯電阻 (Rs) 。

圖3.（a）純石英和用不同方法涂覆PVP的石英的表面的活性層PBDB-TF:IT-4F的紫外-可見吸收光譜。三條曲線完全重合，表明三種OSC吸收的光一致。

? ? ? ?（b）三種OSC的光電流密度 (J_ph) 與有效電壓 (V_eff) 曲線，用于測量激子解離效率。如圖所示，PVP作為陰極界面層，OSC的激子解離效率較高。

? ? ? ?（c）三種OSC的開路電壓與光強的關系。PVP作為陰極界面層的OSC的開路電壓對光強的自然對數的斜率較低，表明PVP作為陰極界面層提高了激子解離效率，降低了陷阱輔助復合。

? ? ? ?（d、e）三種OSC的載流子密度（d）、載流子壽命（e）與光強的關系。從圖中可以得知，載流子密度、載流子壽命與光強呈線性關系，以及PVP作為陰極界面層，提高了OSC的載流子密度和載流子壽命，促進了激子解離，抑制了陷阱輔助復合，因此有利于改善OSC的光伏性能。

? ? ? （f）三種OSC的暗場J-V曲線。在正向偏壓處，PVP作為陰極界面層的OSC的飽和電流更高，而在反向偏壓處，它們的泄漏電流和無陰極界面層的相當，表明從受體（IT-4F）的最低未占分子軌道（LUMO）到ITO的電子提取勢壘降低，因此它們的整流比較高。

圖4.（a）不同分子量的PVP作為陰極界面層的OSC（自組織法）的J-V曲線，表明OSC的性能與PVP的分子量關系不大，這有助于OSC在實際中的應用。

? ? ? ?（b）三種OSC在光照下的歸一化的能量轉換效率。如圖所示，PVP作為陰極界面層，OSC的能量轉換效率降低較慢，作者猜測這是由于PVP超薄和受到活性層保護的緣故。

? ? ? ?（c）PBDB-T:IT-M 、PBDB-TCl:IT-4F、 PBDTTT-T-E:IEICO 分別作為活性層的OSC的J-V曲線，表2是相關數據。這些OSC的制備方法也是自組織法，PVP作為陰極界面層和無陰極界面層對比的結果和PBDB-TF:IT-4F作為活性層時一致，尤其是PBDB-TCl:IT-4F作為活性層，能量轉換效率為14.0%，是目前為止倒置型OSC的最高值。

? ? ? ?（d） PBDB-T、PBDB-TCl、PBDTTT-T-E、IT-M、IT-4F和 IEICO的分子結構。

表2.PBDB-T:IT-M 、PBDB-TCl:IT-4F、 PBDTTT-T-E:IEICO 分別作為活性層的OSC的開路電壓、短路電流密度、填充因子、能量轉換效率。

【小結】

自組織法制備的、PVP為陰極界面層、PBDB-TF:IT-4F為活性層的OSC的能量轉換效率為13.3%，比無陰極界面層的10.1%高，這主要是因為開路電壓和填充因子得到提高，而開路電壓和填充因子得到提高要歸因于降低了電子注入勢壘，促進了激子解離，抑制了載流子復合，改善了載流子傳輸。這種OSC的性能與PVP的分子量關系不大，穩定性出色。自組織法還可應用在其它活性層的OSC上，當PBDB-TCl:IT-4F為活性層時，OSC的能量轉換效率是14.0% 。因此，采用了PVP的自組織法在制備高性能的倒置型OSC很有前景。

文獻鏈接：A Self‐Organized Poly(vinylpyrrolidone)‐Based Cathode Interlayer in Inverted Fullerene‐Free Organic Solar Cells

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛整理編輯。

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